機組啟動過程振動故障診斷與消除

馬綠洲，周 濤，王建飛，孫永軍，孫 鵬

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.華能聊城熱電有限公司，山東 聊城 252041；3.華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255054；4.華能德州電廠，山東 德州 253024；5.華能威海電廠，山東 威海 264205）

0 引言

汽輪發(fā)電機組振動故障涉及的原因較多，現(xiàn)場診斷工作較為復(fù)雜，通常要從多個方面進行分析。首先軸系結(jié)構(gòu)，軸承類型，振動信號的時域特征和頻域特征等，都是分析振動原因的重要參考數(shù)據(jù)。其次要確認(rèn)異常振動具體發(fā)生在啟動、空載，帶負(fù)荷期間的運行階段，以及振動發(fā)生之前機組的檢修工作等，將其作為分析振動原因的重要依據(jù)［1-2］。

某300 MW 雙抽雙調(diào)整抽凝式供熱機組，為高中壓分缸，旋轉(zhuǎn)隔板用于供工業(yè)用汽，在中低壓缸聯(lián)通管上設(shè)置調(diào)整蝶閥用于供采暖用汽。該機組大修后的冷態(tài)啟動過程中，中壓轉(zhuǎn)子兩端軸承的軸振嚴(yán)重超標(biāo)，多次觸發(fā)振動保護導(dǎo)致跳機，影響機組投入正常運行，必須立即進行分析處理，消除異常振動。本文通過對機組異常振動數(shù)據(jù)進行全面診斷分析［3-4］，結(jié)合機組檢修數(shù)據(jù)的分析，找出異常振動的原因；然后運用現(xiàn)場高速動平衡試驗減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，并且采取適合該機組的運行控制方式避免動靜碰磨，最終消除異常振動故障，使機組順利投入安全運行。本文所采取的分析方法和振動處理措施，對于解決同類型機組異常振動問題具有一定的借鑒意義。

1 機組啟動階段振動特征

該機組共有8個支持軸承，其中1～6號為汽輪機轉(zhuǎn)子軸承，7～8 號為發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承，軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。汽輪機臨界轉(zhuǎn)速的設(shè)計值為：高壓轉(zhuǎn)子一階1 500 r/min，中壓轉(zhuǎn)子一階1 550 r/min，低壓轉(zhuǎn)子一階1 650 r/min。

圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)

該機組在大修后的首次冷態(tài)啟動中，在1 600～1 800 r/min臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域附近時，中壓轉(zhuǎn)子3號、4號軸承軸振嚴(yán)重超標(biāo)（報警值127 μm，跳機值254 μm），導(dǎo)致開機困難。每次均需在低速下充分暖機，多次啟動、打閘后，再進行長時間盤車，直到汽輪機熱膨脹至12.5 mm時方能成功沖轉(zhuǎn)到3 000 r/min，給機組正常運行帶來極大困擾。下面以某次啟動過程為例簡述說明。

首次沖轉(zhuǎn)前運行參數(shù)主汽壓力4.89 MPa，主汽溫330 ℃，真空-95.6 kPa。轉(zhuǎn)速1 302 r/min 時，2X 軸振162 μm；轉(zhuǎn)速1 784 r/min時，3X軸振達343 μm（軸振保護跳機值臨時修改為350 μm），4X 軸振274 μm，4號軸承座振動200 μm；轉(zhuǎn)速升至2 964 r/min 時，3X軸振30 5μm，3Y軸振246 μm，2X軸振188 μm，2Y軸振最大值為169 μm；手動打閘后轉(zhuǎn)速降至1 729 r/min時，3X軸振406 μm，3Y軸振176 μm，4X軸振44 6μm，4Y軸振256 μm。

第2 次沖轉(zhuǎn)時稍微開啟真空破壞門，降低真空至87 kPa。升速到600 r/min 準(zhǔn)備暖機，因振動持續(xù)增大觸發(fā)振動保護導(dǎo)致跳機。隨即投入盤車裝置運行4 h。

第3次沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 100 r/min時，暖機20 min不投高加。轉(zhuǎn)速1 719 r/min 時3X 軸振491 μm，3Y 軸振221 μm，4X 軸振427μm，4Y 軸振184 μm，因觸發(fā)振動保護再次跳機。

第4次沖轉(zhuǎn)前把2號、3號、4號軸振保護定值臨時修改為450 μm。轉(zhuǎn)速1 798 r/min時，3X軸振396 μm，3Y 軸振216 μm，4X 軸振356 μm，4Y 軸振161 μm。因轉(zhuǎn)速給定值與實際偏差大引發(fā)保護動作（臨時把轉(zhuǎn)速偏差大跳機保護定值從500 r/min 放大至1 500 r/min，第5次沖轉(zhuǎn)后重新改回原保護定值）。

第5次沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 581 r/min時，3X軸振479 μm，3Y軸振259 μm，4X軸振435 μm，4Y軸振241 μm，觸發(fā)振動保護跳機。投入盤車4 h 以上，待轉(zhuǎn)子偏心恢復(fù)再沖轉(zhuǎn)。

第6 次沖轉(zhuǎn)前運行參數(shù)主汽壓5.2 MPa，真空-87 kPa。轉(zhuǎn)速1 802 r/min 時，3X 軸振為345 μm，3Y軸振185 μm，4X軸振302 μm，4Y軸振145 μm；轉(zhuǎn)速升至2 700 r/min 時開始高速暖機。高壓上缸溫度238 ℃，高壓下缸溫度238 ℃，中壓上缸溫度111 ℃、中壓下缸溫度102 ℃，3X軸振96 μm，3Y軸振106 μm，4X 軸振87 μm，4Y 軸振101 μm，4 號軸承座振動49 μm。高速暖機60 min 后，上述各振動值均保持穩(wěn)定，汽輪機隨即升速至全速3 000 r/min。

從上述機組冷態(tài)啟動過程可以看出，因2 號、3號、4號軸承軸振嚴(yán)重超標(biāo)，啟動中多次停機、多次暖機才能沖轉(zhuǎn)到3 000 r/min，軸系振動問題嚴(yán)重影響了機組的正常運行。

2 異常振動原因分析

通過分析機組發(fā)生異常振動時的頻譜特征，確定振動增大時的主要頻率成分為一倍頻，結(jié)合轉(zhuǎn)子升降速過程的振動特性，發(fā)現(xiàn)該機組中壓轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速附近軸振動超標(biāo)主要有以下幾個方面的原因。

1）中壓轉(zhuǎn)子存在較大的原始一階質(zhì)量不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子上一階質(zhì)量不平衡較大時，機組每次啟停在一階臨界轉(zhuǎn)速下都會產(chǎn)生顯著振動，這種不平衡的量值和方向均是穩(wěn)定的，可通過中壓轉(zhuǎn)子動平衡試驗來減小［5］。

2）中壓轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)時存在較大熱彎曲。機組沖轉(zhuǎn)過程中由于汽缸上下缸溫差以及轉(zhuǎn)子發(fā)生局部碰磨，都會使轉(zhuǎn)子因溫差產(chǎn)生熱彎曲。如果下次沖轉(zhuǎn)前熱彎曲仍未消失，就會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的不平衡從而引起振動，并且在轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域振動更為強烈。沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子的熱彎曲數(shù)值可以通過偏心值推斷，但由于該機組大軸彎曲傳感器并非直接安裝在中壓轉(zhuǎn)子上，即使中壓轉(zhuǎn)子存在較顯著的熱彎曲，偏心指示值也無直接的反映，僅通過偏心值無法準(zhǔn)確判斷熱彎曲是否已經(jīng)完全恢復(fù)。因此應(yīng)檢查確認(rèn)機組沖轉(zhuǎn)前進行了哪些運行操作和檢修工作，如果沖轉(zhuǎn)前停過盤車，則應(yīng)至少再投入連續(xù)盤車4 h 以上，進一步減小轉(zhuǎn)子上殘留熱彎曲量值［6］。

3）中壓轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)過程中發(fā)生了動靜碰磨。該機組大修期間中壓軸封改造為刷式汽封，中壓轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的原始動靜間隙變小。在機組冷態(tài)啟動時如果中壓缸膨脹不均勻，會使汽缸與轉(zhuǎn)子的動靜間隙進一步減小。由于中壓轉(zhuǎn)子的原始質(zhì)量不平衡以及熱彎曲引起的振動位移較大，就更容易發(fā)生動靜碰磨，從而使轉(zhuǎn)子振動進一步增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域附近時發(fā)生共振放大，碰磨程度加重導(dǎo)致振動進一步發(fā)散［7-8］。

3 中壓轉(zhuǎn)子動平衡試驗

該機組中壓轉(zhuǎn)子過臨界振動超標(biāo)的一個重要原因是中壓轉(zhuǎn)子存在較大的原始一階質(zhì)量不平衡，因此首先進行中壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡試驗。

根據(jù)柔性轉(zhuǎn)子動平衡理論進行分析計算，確定了在中壓轉(zhuǎn)子兩端進行同相位配重的動平衡試驗方案［9］。本機組傳感器的安裝位置為：從汽輪機向發(fā)電機方向看，左側(cè)45°為X方向振動傳感器及鍵相傳感器，右側(cè)45°為Y方向振動傳感器。動平衡配重平面選取中壓轉(zhuǎn)子兩端葉輪平衡槽，動平衡配重矢量為中壓轉(zhuǎn)子汽端（3 號軸承側(cè)）380 g∠110°；中壓轉(zhuǎn)子勵端（4號軸承側(cè)）380 g∠110°。

動平衡試驗前首先根據(jù)制造廠說明書的相關(guān)技術(shù)要求，準(zhǔn)備中壓轉(zhuǎn)子配重平衡塊以及加裝轉(zhuǎn)子平衡塊的專用工具。動平衡試驗步驟及安全注意事項如下。

1）關(guān)閉與汽輪機本體連接的所有管道疏水閥門，確認(rèn)高、中壓內(nèi)缸上下溫差在40 ℃以內(nèi)。

2）停盤車時保持潤滑油泵和頂軸油泵運行。

3）高壓上內(nèi)缸溫度320 ℃以下時，方可允許停盤車，停盤車前記錄大軸偏心值。

4）打開前箱人孔蓋后再停盤車，確認(rèn)鍵向槽位置，并確認(rèn)中壓轉(zhuǎn)子平衡塊加裝角度和位置。

5）停止盤車運行后在轉(zhuǎn)子上做好停運盤車標(biāo)記。

6）在中壓轉(zhuǎn)子兩端施加平衡重量，控制停盤車時間不超60 min。工作結(jié)束后，根據(jù)停運盤車標(biāo)記盤動轉(zhuǎn)子180°校直轉(zhuǎn)子，時間控制與停運盤車時間一致，然后投入盤車連續(xù)運行4 h 以上，待大軸偏心恢復(fù)原始值方可啟動機組。

7）當(dāng)盤車因故障不能運行時，須手動進行盤車，同時保持油系統(tǒng)連續(xù)運行。

Y1的模型回歸方程為：Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

8）當(dāng)盤車電機重新啟動，如果過電流、汽缸上下溫差超過規(guī)定或聽到明顯金屬摩擦聲應(yīng)停止連續(xù)盤車，改為定期盤車。盤轉(zhuǎn)180°校直轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子撓度值正常后，且上下溫差小于50 ℃時再投入連續(xù)盤車。

4 避免動靜碰磨的運行方式

由于汽輪機刷式汽封改造后動靜間隙變小，冷態(tài)啟動時因中壓缸膨脹不充分引起中心變化，容易造成中壓轉(zhuǎn)子與汽封發(fā)生碰磨引起嚴(yán)重振動［10］。進一步分析啟動過程，第1 次冷態(tài)啟動機組曾經(jīng)升速至2 964 r/min，第6 次升速前經(jīng)過7 個多小時的盤車，汽輪機轉(zhuǎn)速安全到達了2 700 r/min。進行了1 h高速暖機后，中壓缸大量進汽，缸溫溫升較好，中壓上缸能夠達到280 ℃以上，中壓缸上下缸溫差很小，2 號、3 號、4 號軸振由報警逐步下降至85 μm 以下。基于上述分析，為避免升速過程中因動靜碰磨觸發(fā)振動保護跳機，使機組冷態(tài)啟動時順利沖轉(zhuǎn)至2 700 r/min進行高速暖機，爭取實現(xiàn)冷態(tài)一次啟動成功，特制定如下機組冷態(tài)啟動方案。

1）啟動前鍋爐汽包壓力達至1 MPa 時，對鍋爐進行全面檢查，避免空氣門、各個應(yīng)關(guān)閉的疏水被遺漏，并及時發(fā)現(xiàn)泄漏點。汽輪機轉(zhuǎn)子偏心恢復(fù)正常值并且投入連續(xù)盤車至少4 h以上。

2）沖轉(zhuǎn)前將2號、3號、4號軸振的振動保護定值暫改為360 μm 延時5 s，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)設(shè)置為（650～950 r/min、1200～2 600 r/min），過臨界升速率設(shè)置為400 r/min。

3）啟動前參數(shù)要求主汽壓4.5～5.0 MPa，主汽溫330～350 ℃，真空-88～-90 kPa，升速率100 r/min。

4）高低加的投入。機組冷態(tài)啟動時暫不投入高壓、低壓加熱器系統(tǒng)。直至啟動到工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min，軸系振動穩(wěn)定在報警值以下時再逐步投入。

5）汽輪機排汽溫度及凝汽器真空。升速前通過全開真空試驗閥，手動開啟真空破壞電動閥開度在18%～25%之間，將真空控制在-87 kPa。當(dāng)沖轉(zhuǎn)至定速2 700 r/min 暖機1 h 期間，必須注意汽輪機排汽溫度的增長，需用調(diào)整真空破壞電動閥的手段來控制排汽溫度最高不高于70 ℃。要嚴(yán)格執(zhí)行排汽溫度達80 ℃報警，且低壓缸噴水減溫自動開啟，并工作正常。排汽溫度達121℃時不得連續(xù)運行超過15 min，如果采取措施無效應(yīng)立即打閘停機。可考慮將真空值控制在-88～-92 kPa區(qū)間進行暖機。

6）暖機后升速到工作轉(zhuǎn)速期間的注意事項。當(dāng)汽輪機在2 700 r/min 高速暖機1 h 后，中壓缸上缸應(yīng)達到280 ℃以上，中壓缸上下溫差不得超標(biāo)，2 號、3號、4 號軸振由報警值以上逐步下降至85 μm 以下。檢查排汽溫度應(yīng)低于60 ℃，關(guān)小甚至關(guān)閉真空破壞電動閥及真空試驗門，然后再進行升速。升速過程中應(yīng)密切關(guān)注高壓主汽門、高壓調(diào)門、中壓調(diào)門的閥門指令與實際值的偏差，若發(fā)現(xiàn)偏差較大應(yīng)及時提高真空值或提高沖轉(zhuǎn)參數(shù)，降低或者消除偏差，防止因偏差大保護動作跳機。轉(zhuǎn)速達到2 950 r/min 后進行閥切換，升至3 000 r/min 全面檢查無異常后，應(yīng)及時調(diào)整高、低加水位投入自動運行。

5 振動處理效果

表1 處理后機組啟動相關(guān)振動數(shù)據(jù)

中壓轉(zhuǎn)子3X、4X軸振的升速曲線（伯德圖）如圖2、圖3所示。機組做完電氣試驗后順利并網(wǎng)，帶滿負(fù)荷300 MW時各軸振動值均達到76 μm之內(nèi)的優(yōu)秀水平。

圖2 中壓轉(zhuǎn)子3X軸振伯德圖

圖3 中壓轉(zhuǎn)子4X軸振伯德圖

6 結(jié)語

以300 MW 機組發(fā)生異常振動后的分析處理過程為例，探討了大型汽輪機在大修后冷態(tài)啟動中因振動超標(biāo)造成的啟動困難現(xiàn)象及診斷處理方法。本文的試驗研究表明，可以通過現(xiàn)場高動平衡試驗與合理的運行控制方式相結(jié)合的方法消除機組異常振動，對同類型異常振動故障的診斷處理具有借鑒意義。